基于有限元分析的离心式压缩机转子系统设计及性能优化

管绮珺

摘 要：离心式压缩机作为一种用途广泛的能量转换装置，其制冷量大、结构简单、工作可靠、运行平稳以及效率高等特点，在许多行业中都占据了重要的地位。随着行业的不断发展，离心压缩机的输出冷量也越来越大，对离心式压缩机的设计要求也越来越高。转子系统作为离心压缩机的核心组件，对其性能的影响也是最重要的。文章以双级离心式压缩机转子系统为研究对象，在研究双级离心压缩机转子系统的构造、性能及其影响因素的基础上，采用了理论分析、仿真计算、优化设计和实验测试相结合的方法手段，对双级离心式压缩机转子系统进行了优化设计和研究，设计出了中央空调样机，并且通过了相关的测试实验。

关键词：双级离心压缩机；转子系统；动力学；传递矩阵法；有限元分析

中图分类号：TH452 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）15-0023-02

目前，在实际应用中双级压缩离心式中央空调会出现噪声超出设计值的情况。为了解决这个问题，决定使用有限元软件对离心式中央空调压缩机转子系统进行仿真分析进而对其进行设计优化，使离心式中央空调整体性能达到设计要求。

1 建模分析

ANSYS软件是目前国际上最著名的大型通用有限元分析软件，接下来本文将利用ANSYS软件对离心式压缩机转子进行建模并进行有限元分析。

1.1 简化模型

在建立离心式压缩机转子系统有限元模型的时候，必须对三维模型进行简化处理。

①将叶轮模型上一些过渡圆角和一些装配用的圆孔去除，因为它们对计算结果的影响微乎其微。

②圆柱滚子轴承只保留内圈结构，因为圆柱滚子轴承的结构特性决定了其只有内圈会随着转子系统转动，会对计算结果产生影响。

③将一些不必要的旋转零件去除，例如固定用的端板、轴套等。

这样，一方面可以使有限元分析不会复杂化，另一方面也避免了这些因素会对实际结果产生影响，使结果产生异常的可能性。

1.2 网格划分

在有限元分析中网格划分应遵循以下原则：

①在满足计算精度要求的前提下，网格划分不宜过细，以节省计算成本。

②重点关注部位、应力集中以及几何尺寸突变处网格划分宜细化，但是最小与最大单元尺寸比值不宜过大。

③几何、材料、载荷分界处，应选为节点。

④单元边长近似相等以提高精度。

根据以上原则，离心式压缩机转子模型采用BEAM188、MASS21和COMBI214这3个单元进行网格划分，分别对应转子系统的轴段、叶轮和轴承。

1.3 参数设定

对转子系统施加载荷，由于转子系统是周期旋转件，所以只有在Z方向上设定载荷，如图1所示。

离心式压缩机转子系统是依靠2个轴承支点来固定和支撑，因此约束施加在2个轴承支点上。

1.4 计算分析

由ANSYS得到坎贝尔，如图2所示，可得到该离心式压缩机转子系统的8阶临界转速，具体数值，见表1。已知离心式压缩机的工作转速为8 000 r/min。

表1中，BW代表反转，FW代表正转，第5阶至第8阶临界转速显示NONE是因为在ANSYS计算前设置了最高转速20 000 r，第5阶至第8阶的临界转速超过了20 000 r，所以显示为NONE。另外，由于反转的临界转速并不适用于本转子系统，所以，11 037 rpm是本离心压缩机转子系统的临界转速，并且其大于工作转速的37.9%，所以此转子系统的设计还是较为合理的。

1.5 ANSYS与传递矩阵法计算临界转速的比较

将ANSYS的计算结果，见表2，与传统的传递矩阵法理论计算结果相比较，可以看到随着阶数升高两种计算结果的差异性也逐渐变大。

2 优化和改进

2.1 提出方案

我们对测试数据进行分析和讨论，得出离心压缩机转子系统主要提出2种方案。

2.1.1 优化方案1

对转子系统的优化具体如下：

①减小叶轮进口处的端盖前端厚度和叶轮出口处的端盖前端厚度。

②减少主轴的重量。

③对装配零部件进行优化，得到相应的装配精度。

2.1.2 优化方案2

重新对转子系统进行布局，对叶轮，主轴，轴承等零部件都会进行优化设计，使整个转子系统能够互相配合。保留原有轴承配置，只对轴承的支承位置进行改变。

2.2 方案对比

根据有限元分析方法对以上2个优化方案进行了有限元分析，得到相应8阶临界转速，见表3、表4。

优化方案1的临界转速为9 588.3 rpm，没有达到工作转速的120%，说明优化方案1在运行时会产生共振。究其原因，应该是在优化叶轮和主轴时，为了减小主轴的振动，改变了叶轮和主轴的某些参数，而导致了改变了叶轮和主轴的结构，从而降低了转子系统的临界转速，使之没有达到设计要求。

优化方案2的临界转速虽然超过了工作转速的120%，但和原设计的数据（见表1）相比有所降低。分析其原因应该是由于对转子系统重新进行了设计，轴承支承位置、各个零部件结构都进行了相应的优化修改，临界转速受此影响而有所降低。尽管如此，优化方案2仍然是一个比较合理的设计方案。

2.3 测试数据分析及比较

根据ANSYS分析结果，我们选择方案2为最终优化方案，并制造组装成测试机组。通过测试得出测试数据，见表5。

空调工况：10 k0 V-3 ph-50 Hz。

如上表所示，噪声测试数据有了明显的改善，并且这次的测试大部分性能指标也都有了些许提高，但有些测试数据比原先有了些许下降（表中加黑数据），这有可能是因为机组制造和装配精度的原因。

3 结 语

本文系统地分析了原有转子系统模型，并建立动力学模型。基于转子动力学及有限元基本理论，利用ANSYS有限元分析软件，对双级离心式压缩机转子系统进行了模拟计算，对2套不同的优化设计方案进行分析和模拟，之后进行了机组整机测试，得到了满意的测试结果。

参考文献：

[1] 舒信伟，谷传纲，王彤，等.一种离心压缩机叶片优化设计方法[J].热能动力工程，2008，（2）.